Скользящий контакт электрических машин - Коммутирующие свойства

ГЛАВА ШЕСТАЯ
КОММУТИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА

Коммутирующая способность является важнейшей характеристикой электрического скользящего контакта. Это обусловлено тем, что при, неудовлетворительном протекании процесса коммутации длительная эксплуатация коллекторных электрических машин оказывается невозможной и прочие показатели работы элементов контакта утрачивают свое практическое значение.
Введенная здесь в рассмотрение характеристика коммутирующей способности скользящего контакта является более емкой, чем рассмотренные ранее характеристики переходного падения напряжения, коэффициента трения и износа, происходит это потому, что три последние характеристики определяются природой электрощеточного материала, состоянием среды и такими параметрами электрических машин, которые могут быть названы внешними (материал и состояние рабочих поверхностей коллекторов и контактных колец, окружная скорость и т. п.) Характеристика коммутирующей способности, помимо перечисленных факторов, зависит еще от обмоточных данных, настройки полюсов и ряда других параметров, которые могут быть названы для машин внутренними.
Критерии для оценки коммутирующих свойств скользящего контакта установлены ГОСТ 183-66, в соответствии с которым степени искрения на коллекторах определяются следующим образом:
Таблица 6-1

Стандарт 183-66 устанавливает, что при номинальном режиме работы электрических машин степень искрения (класс коммутации) не должен превышать 1,5. Таким образом, устанавливаемая названным документом система определения допустимого класса коммутации оценивает работу скользящего контакта не по светотехническому эффекту, а по результатам реального воздействия на коллекторе. Недопустимым является такое искрение, при котором на его поверхности появляются следы почернения, не устраняемые протиранием. Выполнение последнего требования составляет предмет особых забот конструкторов и расчетчиков электрических машин, стремящихся свести искрение в скользящем контакте к минимально возможному пределу. Методы решения подобной задачи начали создаваться одновременно с началом применения коллекторных электрических машин. До конца прошлого столетия эти методы являлись эмпирическими. Начиная с последних десятилетий истекшего века до 20-х годов нашего столетия трудами Е. А. Арнольда, П. Жиро, Б. Ламме и других были разработаны теоретические основы коммутационного процесса, которые впоследствии были названы классической теорией коммутации. Явления, происходящие под электрощеткой и в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую, классическая теория коммутации описывает с помощью дифференциального уравнения следующего вида:
 

Классическая теория коммутации полагает, что контактное сопротивление электрощетки является постоянным (rщ=const) и что это сопротивление на набегающем и сбегающем краях щетки зависит от продолжительности времени прошедшего с начала коммутационного процесса, и определяется следующим образом:

Другие попытки улучшить теорию коммутации принадлежат И. С. Елохину, Б. К. Туру и А. И. Скороспешкину, И. С. Елохин полагает, что сопротивления набегающего и сбегающего краев электрощетки изменяются не плавно в функции времени, как это предположено формулами (6-2) и (6-3), а остаются в течение всего периода коммутации практически постоянными, не зависящими от поверхности соприкосновения с коллекторной пластиной (rн=rс= const). Б. К. Тур осуществил попытку рассмотрения уравнения коммутируемого контура путем аппроксимации переходного контактного сопротивления по вольт-амперной характеристике скользящего контакта, причем распределение тока в различных частях электрощетки принималось таким же, как и в классической теории коммутации. А. И. Скороспешкин воспользовался предположением о том, что сопротивление щеточного контакта при возрастании плотности тока уменьшается по закону прямой линии. А. С. Курбасов предпринял попытку описать механизм коммутации с энергетических позиций, определив ее как сложный электромеханический процесс, в котором взаимно увязаны не только э. д. с., но и силы механические.

Особенно много исследований, посвященных уточнению и развитию теории коммутационного процесса, выполнено Μ. Ф. Карасевым с сотрудниками. В указанных работах сформулирован ряд положений, касающихся различных аспектов проблемы коммутации машины постоянного тока и скользящего электрического контакта. На основе вновь разработанных положений по-новому освещены причины искрения электрощеток, роль добавочных полюсов, методы их расчета и многие другие вопросы. В самое последнее время труппа Μ. Ф. Карасева, интенсивно развивает новую систему взглядов на коммутационный процесс, которую авторы называют теорией; оптимальной коммутации машин постоянного тока.

где F — площадь контактной поверхности электрощетки, и для выполнения всех численных расчетов применили электронную цифровую машину «Наири» [Д. 6-2].
Из приведенного описания различных предложений по совершенствованию теории коммутационных процессов с несомненной очевидностью следует, что во всех без исключения случаях знание физических свойств скользящего контакта является совершенно необходимым для управления теми параметрами электрических машин, которые ранее были названы внутренними. Вне зависимости от изложенного может быть также поставлен вопрос о влиянии на коммутационный процесс внешних, не зависящих от машины параметров, и среди них такого, как природа электрощеточных материалов.
В самом деле, практика дает много примеров, указывающих на то, что характер протекания коммутационного процесса на данной машине может изменяться вместе со сменой марки установленных на ней электрощеток. Это послужило поводом для внесения целой серии предложений по оценке коммутирующих свойств собственно электрощеточных материалов. Одним из первых явилось предложение, связывающее свойства материалов с переходным падением напряжения в скользящем контакте. У отдельных авторов можно найти указания на то, что коммутирующие способности электрощеток возрастают вместе со значением 2ΔU [Л. 3-14]. 

Дальнейшим развиnием этой точки зрения явилось предложение, связывающее коммутирующую способность с видом вольт-амперных характеристик электрощеточных материалов. В частности, О. Г. Вегнер [Л. 3-2] предлагал оценивать коммутирующую способность электрощеток с помощью двух показателей: а) амплитудного значения переходного падения напряжения, определяемого по динамической вольт-амперной характеристике при плотности тока в скользящем контакте, равной 2—3% номинальной; б) коэффициента термической устойчивости начальной части вольт-амперной характеристики.
З. Б. Вартанов на основе изучения вольт-амперных характеристик, снятых при различных значениях и длительности импульсов тока и изменяющейся площади скользящего контакта, предложил оценивать коммутирующие свойства электрощеток с помощью среднего значения разности падений напряжения на их сбегающем и набегающем краях:

Последние снимаются на специальном аппарате, снабженном одной рабочей электрощеткой и катушками, имитирующими обмотки машины. А. П. Кучумов для аналогичной цели пользовался также специально сконструированным аппаратом, состоящим из контактных колец, к которым присоединены параллельные ветви обмотки коммутируемой секции. Параметры последней могут изменяться в широких пределах. Варьируя их, изменяя величину тока в коммутируемой секции и используя при экспериментах электрощетки различных марок, А. П. Кучумов построил графики, подобные изображенным на рис. 6-1. Находящиеся на этом графике

 линии называются «порогом искрения». Они разделяют поле графика на две зоны: зону темной коммутации и зону искрения. Взаимное расположение порогов искрения, полученных при испытании электрощеток различных марок, определяет относительную оценку их коммутирующих свойств.

Рис. 6-1. Кривые «порогов искрения», взаимное расположение которых определяет коммутирующую способность электрощеток.
L — индуктивность секции; 2Iа —  ток секции; а, б — различные марки электрощеток.

Μ. Ф. Карасев дифференцировал понятие о коммутирующей способности электрощеток, связав его с двумя факторами: механическим состоянием коллекторов и электромагнитным состоянием машины. Для изучения влияния последнего Μ. Ф. Карасев пользовался специальным аппаратом, состоящим из двухпластинчатого коллектора, вращающейся щеточной траверсы и коммутируемой секции с изменяющейся индуктивностью. В процессе проведения экспериментов изменялись ток в цепи и индуктивность секции и определялось амплитудное значение возникавших в ней э. д. с. самоиндукции es. В результате проведения опытов по описанной схеме удалось установить, что для электрощеток разных марок связь между наблюдавшимися показателями имеет вид, показанный на рис. 6-2. При этом также было замечено, что в момент, когда величина э. д. с. самоиндукции достигает своего максимального значения es=es макс и перестает дальше изменяться, в скользящем контакте наступает искрение. 
Все описанные явления происходят при некотором токе в цепи I=Iк, который для разных электрощеток оказывается различным. Значение критического тока Iк Μ. Ф. Карасев и рекомендует считать показателем коммутирующей способности электрощеток. Дальнейшие опыты дали ему возможность установить, что произведение Iк на число витков короткозамкнутой секции для электрощеток каждой марки оказалось постоянной величиной:
Эту величину Μ. Ф. Карасев называет коммутирующей способностью электрощетки [Л. 6-3]. Позднее Μ. Ф. Карасев совместно с В. Н. Козловым разрабатывает еще одну экспериментальную установку, с помощью которой на экране осциллографа удается наблюдать ток, реверсируемый электрощетками разных марок без искрения. Этот ток и рекомендуется в качестве количественной оценки коммутирующих свойств.
Из зарубежных исследований заслуживает упоминание работа Ф. Шретера, предложившего оценивать коммутирующие свойства электрощеток по форме кривых тока, получаемых в результате испытания щеток на специально сконструированном стенде [Л. 6-4]. Подробное описание и анализ получаемых с ее помощью данных можно найти в [Л. 6-1, 6-3]. В последнем из названных источников можно найти также описание испытательного стенда, с помощью которого предлагалось оценивать рассматриваемые свойства электрощеток в стандарте США.
Перечень исследований, посвященных разработке критериев оценки коммутирующих свойств электрощеточных материалов, выше изложенным не исчерпывается. В периодической печати можно найти ряд других сообщений по рассматриваемому вопросу. Общим для всех предлагавшихся критериев являлось то, что коммутирующие свойства рекомендовалось оценивать не непосредственно, а с помощью промежуточных параметров, которые использовались в различных теориях, объяснявших причины искрения в скользящем контакте. Таким образом, предлагавшиеся способы решения вопроса являлись своего рода двухступенчатыми, так как требовали изучения влияния электрощеточного материала на промежуточные параметры, а затем изучения влияния этих последних на собственно коммутационный процесс. 

Бесперспективность применения описанных способов решения поставленной задачи автор отмечал еще в 1958 г. [Л. 6-5]. Лучшим подтверждением справедливости подобной оценки предлагавшихся способов является тот факт, что за весьма значительный период времени их разработки ни один из них не был использован для сравнительной оценки коммутирующих свойств сколько-нибудь обширной номенклатуры марок электрощеточных материалов и доведен до результатов, которые можно было бы применить в практических целях. Все эти результаты   удалось получить благодаря использованию предложенного автором такого способа решения задачи, при котором оценка коммутирующих свойств производится не в связи с той или иной теорией коммутации, а в связи со способностью щеток обеспечивать большую или меньшую зону безыскровой работы реальных электрических машин [Л. 6-5]. Анализ большого количества экспериментально полученных безискровых зон крупных электрических машин позволил установить, что щетки различных марок при использовании на различных машинах образуют различные зоны, но в порядке расположения этих зон имеется вполне определенная закономерность (рис. 6-3). Для последующего анализа выявленной закономерности представилось необходимым разработать какой-либо количественный критерий, позволяющий оценивать сопоставляемые зоны. Простейшим критерием подобной оценки могли бы явиться отношение площадей зон, образованных на машине при ее работе с электрощетками различных марок. Для построений, у которых зоны подобны друг другу, такой прием дает вполне удовлетворительный результат. Однако в общем случае, когда подобие зон нарушается, сравнение площадей дает искаженную картину. Сказанное иллюстрируется рис. 6-4, на котором зона I занимает большую площадь, чем зона II, однако в смысле обеспечения безыскровой работы она менее благоприятна, так как вся ее площадь реализуется в области малых нагрузок машины. Таким образом, величина площади безыскровой зоны в общем случае не может служить достаточно определенным критерием. Ее нужно дополнительно характеризовать с точки зрения расположения по отношению к осям построений. Сделать это можно с помощью величины, определяемой выражением
(6-17) из которого следует, что здесь речь идет о сумме произведений элементарных площадок dF на квадраты расстояний их центра тяжести от оси тока подпитки, причем суммирование производится по всей площади зоны (рис. 6-4).

Рис. 6-4. Определение экваториального момента инерции площади зоны безыскровой работы по отношению к оси тока подпитки добавочных полюсов.

Выбор второй степени для координаты х обусловлен необходимостью  оттенить ее роль в формировании величины Jм. Последняя в соответствии с описанным способом ее вычисления может быть названа экваториальным моментом инерции площади зоны безыскровой работы по отношению к оси тока подпитки добавочных полюсов.
Физический смысл показателя Jм в условиях рассматриваемой задачи достаточно очевиден. Он характеризует развитие зоны вдоль оси нагрузки и возрастание его численного значения свидетельствует о повышении коммутирующих свойств образующих его электрощеток.
Если величину Jм.б для какой-либо произвольно выбранной марки электрощеток принять в качестве базовой, то располагая величинами Jм.к для других марок электрощеток, испытанных на данной машине, относительную оценку их коммутирующих свойств удается выразить с помощью отношения, названного индексом коммутации:

Анализ большого количества экспериментальных данных, полученных при снятии безыскровых зон на крупных электрических машинах, и вычисление значений индекса коммутации для испытанных на них электрощеток различных марок позволили установить следующее: а) значения индекса коммутации N для каждой марки электрощеточного материала распределены по статистическим законам; б) номинальное значение индекса коммутации конкретной марки электрощеточного материала определяется ее составом; в) для ряда наиболее полно изученных марок электрощеточных материалов номинальные значения индекса коммутации при базовой марке ЭГ4 являются следующими:


Рис. 6-5. Общая закономерность изменения некоторых характеристик электрощеточных материалов в зависимости от их состава.

Общая закономерность изменения коммутирующих свойств электрощеточных материалов, оцениваемых значением индекса коммутации N, определяется графиком, изображенным на нижней части рис. 6-5. Правый участок изображенного графика, обозначенный сплошной линией, обоснован экспериментально по данным соответствующих испытаний различных щеток на значительном количестве типов электрощеток машин [Л. 1-4]. Пунктирный участок этого графика является предположительным. Здесь дополнительному уточнению подлежат значения ординат. Что касается самого характера изменения N, то он сомнения не вызывает, так как подтверждается всей практикой использования электрощеток на самых различных этапах их развития.
При рассмотрении представленной на рис. 6-5 общей закономерности изменения коммутирующих способностей электрощеточных материалов интересно выяснить, с какими другими их свойствами согласуется кривая изменения N. С указанной целью на верхнюю часть рис. 6-5 перенесены графики изменения удельного электрического сопротивления р (рис. 1-2) и переходного падения напряжения 2ΔU (рис. 3-4,в) в зависимости от состава электрощеточных материалов. Из сопоставления линий Ν и 2ΔU можно заключить, что связь между рассматриваемыми характеристиками проявляется только для материалов I класса. Для электрографитированных материалов IV класса, содержащих значительное количество сажи, связь между показателями N и 2ΔU исчезает. Подобная связь восстанавливается у композиций, содержащих в качестве связующего синтетические смолы, при использовании которых происходит одновременное возрастание 2ΔU и Ν.
Особенно много для понимания физических основ формирования коммутирующих свойств электрощеточных материалов дает факт полного согласования линий N и р. По-видимому, подобное' согласование не может являться случайным, а является следствием глубокой физической связи между изучаемыми характеристиками. Современные представления о физических свойствах твердых проводников приводят к следующей формуле для определения удельного электрического сопротивления, Ом · м:
(6-19)
где n — число свободных электронов в единице объема материала; е — заряд электрона, Кл; μ — подвижность электронов, м/с, м/В; Е — напряженность электрического поля, В/м; v — скорость дрейфа электрона, м/с.
Очевидно, что возрастание р, а вместе с ним и N при постоянном Е (т. е. на данной машине,) связано с уменьшением числа свободных носителей тока в единице объема материала п. Последнее обусловлено строением веществ, слагающих этот материал. Элементарные кристаллические решетки и структурные схемы меди, графита, кокса и сажи, используемых при изготовлении электрощеточных материалов, описывались в первой главе, где было показано, что упорядоченность структур для перечисленных веществ снижается в той последовательности, в которой они здесь перечислены. В менее упорядоченных структурах движению носителей тока препятствуют потенциальные барьеры на границах образований. Число таких барьеров растет по мере уменьшения размеров частиц, слагающих материал. Таким образом, оказывается, что удельное электрическое сопротивление электрощеточных материалов и коммутирующие способности изготовленных из них электрощеток неизменно повышаются по мере того, как все менее упорядоченной становится структура веществ, из которых эти материалы слагаются. Структура веществ оказывает влияние на удельное электрическое сопротивление и коммутирующую способность не сама по себе. Поскольку со структурой связан ряд других характеристик вещества, то естественно предположить, что и они должны быть тем или иным образом связаны с величинами р и N. Одной из таких характеристик является уровень Ферми W. Так как последний при принятых в (6-19) обозначениях может быть вычислен с помощью выражения:
(6-20)
то естественно, что W будет уменьшаться по мере возрастания р и Ν.
У углеродистых материалов существенное влияние на коммутирующие свойства оказывает их способность к графитации.  Графитация этих материалов представляет собою процесс образования кристаллического углерода в форме графита. Физически названный процесс обусловлен переходом двухмерных шестичленных образований в трехмерные, кристаллические. Возможность перехода определяется схемой структуры материала. Материалы, кристаллиты которых ориентированы более или менее параллельно и не имеют развитых перекрестных связей, как, например, у кокса (рис. 1-1,в), графитируются достаточно хорошо. Углеродистые материалы, подобные саже и древесному углю, кристаллиты которых не имеют предпочтительной ориентации и перекрестные связи между которыми развиты весьма значительно (рис. 1-1,г), графитируются очень плохо. Таким образом, коммутирующие свойства электрощеточных материалов оказываются находящимися в обратной зависимости от способности слагающих их веществ к графитации. Этим и объясняется тот факт, что выпускаемые всеми отечественными и зарубежными предприятиями щетки, предназначенные для использования на электрических машинах с наиболее тяжелыми условиями коммутации, имеют в своем составе в качестве основного компонента не графит, а сажу.

Рис. 6-6. Изменение зон безыскровой работы электрических машин при установке на них щеток различной конструкции.
а, б, в — различные типы машин постоянного тока напряжением 200—300 В. Конструкции щеток: 1 — неразрезная; 2 — разрезная из двух частей; 3 — разрезная из четырех частей; 4 — неразрезная со шлицами на контактной поверхности.

Помимо рассмотренного на коммутационный процесс электрических машин также оказывают влияние и многие другие факторы. При последующем изучении этих факторов представляется целесообразным воспользоваться введенным ранее понятием об индексе коммутации Ν. Вычисляя последний, необходимо позаботиться о правильном выборе базовой зоны, которая определяется характером конкретной изучаемой задачи. Соблюдение отмеченного условия позволяет производить количественную оценку влияния рассматриваемого фактора на коммутирующие свойства контакта и давать эту оценку с той же полнотой, с которой ранее изучались его характеристики переходного падения напряжения, коэффициента трения и износа. Проиллюстрируем последнее утверждение на примерах решения ряда конкретных задач. В качестве первой из них рассмотрим, как влияет на коммутацию конструкция электрощеток. На рис. 6-6, а и б показаны зоны безыскровой работы двух электрических машин при последовательной установке на них щеток неразрезной и разрезной конструкции, а на рис. 6-6,в — зоны машины со щетками, контактные поверхности которых были гладкими, а затем снабжены шлицами (прорезями). Если принять значение индекса коммутации для щеток неразрезной конструкции и не имеющих шлицев N=1, то для щетки, состоящей из двух частей, N=1,4; для щетки, состоящей из четырех частей, N=1,9; для щетки, имеющей шлицы, N=1,5. Улучшение коммутирующих свойств происходит также при установке амортизирующих (резиновых) накладок на электрощетках, при замене на крупных электрических машинах реактивных щеткодержателей радиальными и при придании контактной поверхности электрощеток формы, отличной от прямоугольника. В [Л. 5-7] указывается, что искрение последовательно уменьшается при переходе от прямоугольного сечения электрощетки к полукругу, трапеции, ромбу, кругу и равностороннему треугольнику. Описываемый эффект достигается за счет возрастания переходного сопротивления щеточного контакта на завершающем этапе коммутации.
Еще одним способом воздействия на коммутационный процесс может являться рациональный выбор тангенциального размера электрощетки. Положение последней величины в формуле (6-9) таково, что по мере возрастания этой величины значение ер должно уменьшаться. Физически это объясняется очень просто: с ростом b увеличивается продолжительность периода коммутации Т и соответственно снижается скорость изменения тока в коммутируемых секциях во времени. При этом, однако, не следует упускать из виду, что одновременно с увеличением b возрастает число секций, участвующих в процессе коммутации. Аналитически можно показать, что уменьшение реактивной э. д. с. удается достичь только в том случае, когдавозрастает медленнее, чем βί. Таким образом, следует ожидать, что по мере увеличения тангенциального размера электрощеток ширина безыскровых зон должна сначала возрастать, а затем снижаться. Экспериментальное подтверждение описываемого явления иллюстрируется данными табл. 6-2, где приведены сведения об изменении коммутирующих свойств в контакте при изменении тангенциальных размеров электрощеток. 

Таблица 6-2
Изменение индекса коммутации N в зависимости от раздвижки электрощеток

Изменение этих размеров осуществилось путем установки электрощеток с раздвижкой, т. е. по схеме, когда их набегающие и сбегающие края располагались не вдоль прямой линии, а с некоторым отступлением от нее (ступенчато). Подобная установка осуществляется с помощью прокладок разной толщины, помещаемых между щеткодержателями и брикетами.
Практическое использование излагаемых здесь представлений о влиянии тангенциального размера электрощеток на коммутационный процесс осуществлено при наладке работы мощных машин типа ПБК-215/40, используемых в качестве преобразовательных агрегатов обжимных станков. Практика эксплуатации восьми генераторов названного типа на четырех металлургических предприятиях показала, что при использовании электрощеток марок ЭГ2А, ЭГ4 и ЭГ14 машины работали недостаточно надежно в основном из-за дефектов щеточноколлекторного узла. Для устранения отмеченных дефектов на машинах заменили реактивные щеткодержатели радиальными, установив с раздвижкой по схеме, показанной на рис. 6-7. При новой расстановке щеток на генераторе № 1 в заключительном этапе коммутационного  процесса участвует восемь Щеток, перекрывающих семь коллекторных пластин, на генераторе № 2 — четыре щетки, перекрывающие 7,5 пластин. В результате описанной перестановки работа узла токосъема полностью нормализовалась. Генераторы оказались способными работать со щетками любых электрографитированных марок, в том числе и тех, которые ранее являлись совершенно непригодными [Л. 6-6].

Рис. 6-7. Схема расстановки щеткодержателей на машинах типа ПБК-215/40.
а — генератор № 1; б — генератор № 2; 1 — прокладка толщиной 4 мм; 2 — то же 8 мм; 3 — то же 11 мм.

Анализ формул (6-8) и (6-9) позволяет предсказать характер влияния частоты вращения машины п на значение индекса коммутации: очевидно, что оба названных показателя связаны обратно пропорциональной зависимостью. Количественная оценка рассматриваемой связи представлена в табл. 6-3. В табл. 6-4—6-6 содержится информация о влиянии на коммутационные показатели удельного давления на электрощетки р, изменения полярности главных полюсов и частоты тока, питающего машину. Сведения первой из приведенных таблиц свидетельствуют о том, что изменяя величину удельного нажатия на электрощетки, можно добиться расширения безыскровых зон. Оптимальное значение давления может быть установлено опытным путем. Изменения прямого порядка чередования полярности главных полюсов на обратный, как и увеличение частоты питающего тока, приводят к снижению коммутационных возможностей.

Таблица 6-3
Изменение индекса коммутации N в зависимости от частоты вращения якоря машины

Рассмотрим далее сведения, касающиеся связи между коммутирующими способностями электрощеток и их полярностью. Факт существования подобной связи наблюдался многими исследователями, большая часть которых отмечала, что при постепенном возрастании нагрузки на машины первыми начинают искрить анодно-поляризованные электрощетки [Л. 3-2, 5-7]. Поскольку подобное обстоятельство хорошо согласуется с приведенным в главе 3 неравенством, то естественно заключить, что и в данном случае проявляет себя та общая закономерность влияния 2ΔU на Ν, которая изображена на рис. 6-5. 

Изменение индекса коммутации N в зависимости от удельного давления на электрощетки

* Экспериментальные данные взяты из технического отчета ЛенФВНИИЭМ.

Таблица 6-5

Изменение индекса коммутации N в зависимости от полярности главных полюсов (по данным [Л. 6-7])

Примечание. Испытания проводились в генераторном режиме работы машины.

Таблица 6-6

Изменение индекса коммутации N в зависимости от частоты тока, питающего машину (по данным [Л. 6-8])

Правда, в последнем случае связь между изучаемыми характеристиками на правом участке соответствующих кривых нарушается, однако в самом общем виде она все же существует и приводимые объяснения причин, придающих катодно-поляризованным электрощеткам более высокие коммутирующие свойства, в первом приближении, могут быть признаны удовлетворительными. Без подобной оговорки к аналогичному выводу приходят и другие исследователи данного вопроса [Л. 3-8, 6-8].
Проявленная здесь осторожность в оценке влияния показателя 2ΔU на N обусловлена тем, что существуют обстоятельства, при которых отмеченная на рис. 6-5 общая закономерность, связывающая названные характеристики, нарушается. Именно так обстоит дело при использовании пропитанных электрощеток. В гл. 3 отмечалось, что введение пропитывающих веществ в электрощеточные материалы увеличивает переходное падение напряжения на 10—20%, однако возрастания коммутирующих свойств при этом обычно не происходит. Анализ соответствующих безыскровых зон показывает, что в большинстве случаев наблюдается даже некоторое снижение значений индекса коммутации. Исключение составляют случаи, когда непропитанные электрощетки работают с вибрациями и введение пропитки эти вибрации устраняет. При отмеченных условиях индекс коммутации возрастает. Объяснение этого явления требует постановки дальнейших экспериментов.
Влияние степени нагрева коллектора на коммутационный процесс в практике отмечено давно, но надежных количественных оценок этого влияния ранее не существовало. В одной из новых работ Μ. Ф. Карасева с сотрудниками рассматриваемый вопрос изучался путем введения в коммутируемый контур коммутирующей э. д. с. ек и путем изменения тока подпитки добавочных полюсов Iп. Оба параметра выбирались из условия поддержания оптимального состояния коммутационного процесса на данной установке при различной температуре коллектора. Оказалось, что значения величин ек и Iп при изменении температуры коллектора от 50 до 70 °C снижаются, а при дальнейшем повышении температуры начинают возрастать [Л. 3-9]. Сопоставляя этот факт с ранее упоминавшимся характером изменения кривой  и имея в виду существование зависимости междуи Ν, можно предсказать повышение коммутирующей способности электрического скользящего контакта при нагреве его свыше 100°C. 

Именно такая оценка возможности работы контакта при повышенных температурах его нагрева содержится в [Л. 6-9], где утверждается, что наиболее благоприятная температура для работы коллекторов и контактных колец находится в пределах 150—160 °C.
Нормальное протекание коммутационного процесса зависит еще от состава атмосферы, окружающей эксплуатируемые электрические машины. Так, если в составе окружающего воздуха окажется сероводород, то коллекторная политура начнет интенсивно адсорбировать его на своей поверхности, потускнеет и потеряет способность защищать от дальнейшего обогащения сульфидами находящуюся под ней медь коллектора. По данным [Л. 3-12], если на 1 млн. частей атмосферы будет приходиться 210 тыс. частей кислорода и только 0,03 части сероводорода, то тусклая политура будет содержать в себе 10—15% сульфида меди и 85—90% окиси меди. Концентрация сероводорода, способная вызвать нарушение работы контакта, ниже той, которая ощущается обонянием. О его присутствии в атмосфере можно судить по такому косвенному признаку, как потускнение цвета меди коллектора, не соприкасающейся с электрощетками. Нейтрализовать действие сероводорода удается введением в состав атмосферы хлора. Последний, соединяясь с коллекторной медью, вызывает образование хлористой меди, которая, взаимодействуя с кислородом воздуха, образует окись меди, т. е. образует политуру требуемого состава.
В [Л. 3-12] описан случай ухудшения коммутации при загрязнении атмосферы газообразными углеводородами. Они не вызывают изменения вида политуры, но под действием тепла и благодаря каталитическому действию меди могут превращаться в смолистые фракции. Последние осаждаются на медных поверхностях деталей узла токосъема (щеткодержатели, щеточная арматура) и затрудняют их работу.
Особый интерес приобрело в последние годы изучение влияния на коммутацию кремнийсодержащих соединений в окружающей атмосфере. В [Л. 3-12] описаны испытания двухъякорного электромашинного агрегата закрытого типа с кремний-органической изоляцией, в процессе проведения которых было установлено, что при значительных нагрузках агрегата коммутация резко ухудшалась. В [Л. 6-10] описаны явления нарушения коммутации закрытых гребных двигателей с кремний-органической изоляцией, используемых на подводных лодках военно-морского флота США. Некоторые сведения о причинах нарушения коммутации в описываемых условиях изложены в |[Л. 3-13]. Наряду с перечисленными имеются публикации, в которых при описании дефектов работы электрических машин с кремний-органической изоляцией о расстройствах коммутации ничего не сказано. В практике работы автора имели место многочисленные случаи, когда присутствие кремний-органических соединений в зоне скользящего контакта электрических машин, вызывавшее катастрофическое возрастание скорости изнашивания электрощеток, к расстройству коммутации не приводило.
При рассмотрении влияния атмосферы на коммутирующие свойства необходимо остановиться на тех изменениях указанных свойств, которые обусловлены подъемом электрических машин на высоту. Параметры высотной атмосферы таковы, что все характеристики работающего в нем электрического контакта претерпевают изменения. Естественно, что и коммутационная характеристика не составляет исключения и ее изменение направлено в сторону резкого ухудшения. Нормализация работы скользящего контакта в высотных условиях достигается за счет применения металлсодержащих материалов, облагороженных добавками олова, свинца или обоих названных компонентов одновременно (материалы групп ΙΑ и IB). Для указанной цели с успехом используются также электрощеточные материалы «черных» марок, изготовленные с применением особых технологических приемов и снабженные соответствующими пропитывающими веществами.
В заключение несколько слов о влиянии на коммутационные свойства среды жидкого диэлектрика. Особенность работы скользящего контакта в подобной среде состоит в появлении гидродинамических усилий, расклинивающих контактирующие элементы. В результате в зоне контакта возникает интенсивное искрение, вызывающее разложение масла. Для устранения описываемого явления необходимо повысить давление на электрощетки, сделать в них аксиальные (декомпрессионные) каналы и тогда для изготовления электрощеток окажется возможным использовать серийные электрощеточные материалы по ГОСТ 2332-63. Общая закономерность изменения коммутирующих свойств электрощеточных материалов, используемых в среде жидкого диэлектрика, остается такой же, как и при их работе в воздушной среде. Однако большую роль при эксплуатации контакта в среде трансформаторного масла играют абразивные свойства электрощеточных материалов, способствующие очищению поверхности скольжения коллекторов. По указанной причине в маслонаполненных машинах постоянного тока признано целесообразным применять металлсодержащие электрощетки. Об этом, в частности, сообщается в [Л. 6-11]. Согласно этой работе для рассматриваемых условий эксплуатации и наличии коллекторов, изготовленных из стальных пластин при окружной скорости на их рабочей поверхности свыше 10 м/с, лучшие результаты дает применение электрощеток марки МГСО. При пониженных значениях окружной скорости на коллекторе в составе рецептуры электрощеточного материала медь может замещаться железом [Л. 6-11].